Tính toán cho bộ thu hồi lõi xuyến

CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.5. Các giải pháp thu hồi thực thi

2.5.4. Tính toán cho bộ thu hồi lõi xuyến

Do cuộn cảm có đặc tính lọc nguồn, tích lũy năng lượng…Để đảm bảo cho cuộn cảm hoạt động hiệu quả trong việc thu hồi điện áp dư thừa phát ra từ xung âm bobine, chúng tôi thiết lập công thức và lựa chọn linh kiện cho mạch hoạt động ổn định.

Từ dung của cuộn cảm lõi xuyến.

L = 𝜇0𝜇𝑁2𝑟2

𝐷 Trong đó:

- L: Từ dung (H)

- 𝜇0: độ từ thẩm của chân không = 4π10-7 (H/m) - 𝜇 : độ từ thẩm tương đối của vật liệu lõi

- N: số vòng quấn.

- r: Bán kính vòng quấn (m). - D: đường kính vòng xuyến (m).

Như vậy từ công thức trên với việc quấn số vòng dây và lựa chọn vật liệu lõi ta có được từ dung như sau:

L = 𝜇0𝜇𝑁2𝑟2

𝐷 = 4π10-7 * 𝜇 *300

20.52

2 = 0.014 𝜇 (H)

Bài toán kế tiếp đặt ra là tính cường độ dòng điện phát ra khi qua cuộn cảm lõi xuyến. Ta biết được từ dung L = 0.014µ (H), điện trở của cuộn cảm đo được là R=5Ω (cho cuộn thu hồi ở bobine đôi) khi điện áp phát xung âm của bobine là 300V. Thời gian đóng ngắt trong 5 giây (được tính theo công thức: L/R = 0.014µ/5 = 0.0028µ (giây)).

Cường độ dòng điện được tính theo biểu thức:

ⅈ = 𝐼 (1 − ⅇ−𝜏𝑡) Cường độ dòng điện khi ở trạng thái ổn định.

𝐼 = 300

5 (1 − ⅇ−5𝑡) = 60(1 − ⅇ−5𝑡)

- Cường độ dòng điện khi ở trạng thái ổn định:

𝐼0 = 60 (A)

- Cường độ dòng điện ngay tại thời điểm phát xung:

𝐼 = -60ⅇ−5𝑡

Sau thời gian 0.0028µ (giây).

𝐼t = -60ⅇ−0.0028µ5 = −60

𝑒−5,6µ10−4 (A)

Như vậy nếu sau khoảng thời gian (0.0028µ (giây)).

ⅈ = 𝐼0+ 𝐼 = 60 − 60

𝑒−5,6µ10−4 (A)

Giá trị cường độ dòng điện này phụ thuộc vào độ từ thẩm µ của vật liệu lõi quấn dây.

2.5.5. Đánh giá bộ thu hồi cuộn cảm lõi xuyến.

Qua quá trình thi công thử nghiệm, chúng tôi tiến hành dùng máy Oscilloscopes để đo, kiểm tra xung đánh lửa trước và sau khi lắp bộ thu hồi, đánh giá hiệu quả của bộ thu hồi.

Biểu đồ xung sơ cấp đánh lửa và kim phun trước khi lắp bộ thu hồi

Hình 2.29. Đồ thị biểu diễn xung tự cảm của cuộn sơ cấp bobine trước khi gắn bộ thu

hồi ở tần số 100Hz (3000 vòng/phút).

Qua biểu đồ trên, ta nhận thấy đỉnh xung tự cảm cuộn sơ cấp bobine tương đối ổn định (khoảng 300 V).

Hình 2.30. Đồ thị biểu diễn xung tự cảm của cuộn sơ cấp bobine sau khi gắn bộ thu hồi

Qua biểu đồ trên, ta nhận thấy xung tự cảm cuộn sơ cấp bobine đã tăng lên đáng kể sau khi lắp bộ thu hồi (khoảng 400V). Như vậy, qua bộ thu hồi cuộn cảm lõi xuyến, năng lượng có thể thu về đã tăng lên. Để đảm bảo an toàn cho bộ tích trữ, chúng tôi dẫn các xung điện áp cao qua bộ biến áp 14 DCV để nạp vào cho bộ tích trữ.

2.6. Tính toán lựa chọn thiết bị lưu trữ. 2.6.1. Siêu tụ là gì? 2.6.1. Siêu tụ là gì?

Siêu tụ điện còn được biết với các tên như Supercapacitor, Electrochemical Double Layer Capacitors (EDLC) hoặc Ultracapacitor.

Siêu tụ và thiết bị tích trữ năng lượng , nó có mật độ năng lượng cao giúp cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện yêu cầu khả năng cung cấp năng lượng nhanh , ta có một tụ điện nhôm tích trữ được khoảng 100 đến 300 Wh / kg trong khi đó một bình ắc quy chì - axit tích trữ được khoảng 30 đến 40 Wh / kg và hiện đại hơn nữa là những loại pin lithium - ion tích trữ được từ 100 đến 265 Wh / kg . Các siêu tụ điện tích trữ gấp 10 lần so với ắc quy.

2.6.2. Cấu tạo siêu tụ.

Cấu tạo gồm các bản cực là carbon (than hoạt tính) có cấu trúc xốp và ngầm trong chất điện phân, trong đó gồm nhiều lỗ rỗng nhỏ li ti. Nhờ cấu trúc này mà diện tích bản cực được tối ưu hóa rất nhiều. Diện tích bản cực của điện cực than hoạt tính vào khoảng 400 - 1.000 m / gam và một tấm phân cách ngăn chặn sự tiếp xúc vật lý của các điện cực nhưng cho phép ion từ các điện cực trao đổi với nhau. Một tấm kim loại chứa các ion dương, còn tấm kia chứa ion âm. Nồng độ ion ở điện cực được xác định bằng cường độ điện trường, khi điện áp tăng lên thì điện dung tăng lên. Khi sạc, các ion tích tụ trên bề mặt của hai tấm kim loại phủ carbon này. Siêu tụ giống như có hai tụ điện ghép lại làm một. Đây là lý do đôi khi siêu tụ được giới thiệu như là tụ điện hai lớp.

Hình 2.32. Siêu tụ điện 2 lớp

2.6.3. So sánh siêu tụ điện với các thiết bị lưu trữ khác.

Bảng 2.11. Thông số lưu trữ trên ắc quy, tụ điện thường, siêu tụ và pin năng lượng.

Các thông số Ắc quy Các loại pin

Lithium-ion Siêu tụ

Nhiệt độ làm việc (oC) -20 ÷ 100 -20 ÷ 60 -20 ÷ 70 Điện áp (V) 12 ÷ 48 2,5 ÷ 4,2 2,2 ÷ 3,3 Thời gian nạp 8 ÷ 10 giờ 10 ÷ 60 phút 0.3 ÷ 30 giây

Số lần phóng/nạp

(lần) 1000 500 ÷ 10

4 105 đến 106

Điện dung (F) 100 ÷ 12.000

Năng lượng riêng

(Wh/kg) 10 ÷ 100 100 ÷ 265 4 ÷ 9 Công suất riêng

(kW/kg) <1 0.3 ÷ 1.5 3 ÷ 10 Thời gian tự phóng ở nhiệt độ phòng (25oC) Dài (khoảng 1 tháng) Trung bình (khoảng vài tuần) Tuổi thọ (năm) ở nhiệt

độ phòng (oC) 2 ÷ 4 3 ÷ 5 5 ÷ 10

Bảng 2.12. Thống kê một số siêu tụ của hãng

Nhà sản xuất Điện áp định mức (V) Dung lượng (F) Công suất riêng (W/kg) Năng lượng riêng (Wh/kg) Điện trở nội (mΩ) Maxwell 2,85 3.400 18 7,7 0,29 APowerCap 2,7 550 20 4,5 Nesscap 2,7 3.000 10 10 Nippon Chemi-Con 2,5 2.300 4,3 1,2 WIMA 2,7 6.500 4,3 5,2 0,18 Panasonic 2,3 70 3,4 100

Một số công thức cơ bản về siêu tụ:

(Nguồn: Datasheet BC series ultracapacitor)

Các công thức tính toán cho Siêu tụ cơ bản giống như các công thức tính cho tụ điện thông thường. Với:

Ctd: Điện dung tương đương

C1÷n: Điện dung của các siêu tụ thành phần

Uc1÷n: Điện áp định mức của siêu tụ thành phần

U: Điện áp định mức của mô đun siêu tụ Pmax: Công suất hoạt động của siêu tụ (J). ESRDC: điện trở trong của siêu tụ (Ω). Mass: Khối lượng riêng của siêu tụ (g)

Wmax: là năng lượng dự trữ lớn nhất của siêu tụ Maxwell (J). Wstored: là năng lượng được tích trữ trong siêu tụ (J).

Dung lượng siêu tụ mắc nối tiếp:

1

Ctd = 1

C1 + 1

C2 + ⋯ + 1

Cn (F)

Dung lượng siêu tụ mắc song song:

Ctd = C1 + C2 + … + Cn (F)

Điện áp siêu tụ mắc nối tiếp:

U= Uc1 + Uc2 + … + Ucn (V)

Công suất riêng tích trữ trong siêu tụ:

𝑃 = 𝐶∗𝑈2

2∗𝑚 (W/kg)

Với: m là khối lượng của mô đun siêu tụ

Công suất tối đa của siêu tụ:

Pmax = 𝑈 2

4∗𝐸𝑆𝑅𝐷𝐶∗𝑚𝑎𝑠𝑠 (W/kg)

Năng lượng riêng tối đa của tụ:

Emax = Ctd∗𝑈

2

Năng lượng tích trữ trong siêu tụ:

E= Ctd∗𝑈

2

2∗3600 (Wh)

Một số ứng dụng của siêu tụ điện:

Theo thống kê của Maxwell, đã có hơn 5000 xe tải được trang bị hệ thống cung cấp năng lượng khởi động bằng tụ điện (khắc phục được nhược điểm khởi động động cơ khi thời tiết lạnh).

• Ứng dụng siêu tụ thu hồi năng lượng điện khi phanh ô tô, tích trữ và cung cấp năng lượng cho hệ thống Hybrid.

• Cung cấp năng lượng để duy trì hệ thống và khởi động các động cơ phát điện hoặc các thiết bị cung cấp điện.

• Tích trữ và cung cấp năng lượng cho các tàu điện và các xe điện sử dụng công nghệ sạc điện không dây.

• Tích trữ năng lượng trong các thiết bị phát điện bằng năng lượng sạch như pin năng lượng mặt trời, các trạm điện gió…

• Ngoài ra, siêu tụ còn được ứng dụng làm nguồn năng lượng để mở cửa máy bay trong trường hợp mất điện đột ngột…

2.6.4. Ứng dụng siêu tụ vào việc tích trữ nguồn năng lượng điện thu được từ các xung suất điện động tự cảm. xung suất điện động tự cảm.

Hệ thống điện ô tô thường sử dụng điện áp 12,6 – 14,2V, để không thay đổi nhiều hệ thống điện ô tô, siêu tụ Maxwell BCAP0350 được chọn để tạo thành mô đun siêu tụ điện có điện áp và dung lượng, thích hợp cho việc thu năng lượng điện cảm và sử dụng nguồn năng lượng này cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện. Mô đun siêu tụ điện được được mắc 2 khối siêu tụ song song với nhau, mỗi khối bao gồm 6 siêu tụ mắc nối tiếp với nhau. Mô đun siêu tụ có giá trị điện áp hiệu dụng – dung lượng: 16,2V – 116F

Hình 2.33. Siêu tụ Maxwell BCAP0350. Bảng 2.13. Thông số kỹ thuật của một siêu tụ Maxwell BCAP0350. Bảng 2.13. Thông số kỹ thuật của một siêu tụ Maxwell BCAP0350.

ELECTRICAL BCAP0350

Dung lượng (F) 350 F

Điện trở nội (ESR) DC 3.2 mΩ Điện áp định mức 2.70 V Điện áp tối đa 2.85 V Dòng điện tối đa 170 A Dòng điện rò ở nhiệt độ 25oC 0.30 mA NHIỆT ĐỘ Thấp nhất -40oC Cao nhất 65oC/75oC PHYSICAL Khối lượng 60g

POWER & ENERGY BCAP0350

Công suất riêng 4,600 W/kg Năng lượng tích trữ 5.9 Wh/kg Thời gian sử dụng 4 4 năm (Nguồn: Datasheet BC series ultracapacitor)

Ứng dụng công thức 2.1 ta được: 1 Ctd = 1 350+ 1 350+ 1 350+ 1 350+ 1 350+ 1 350= 6 350 Ctd = 350 6 = 58,344𝐹

- Dung lượng của tụ khi ghép song song 2 khối (6 siêu tụ 2,7V – 350F nối tiếp): C = Ctd 2 = 58,3442= 116,667F

- Điện áp định mức của khối khi ghép nối tiếp 6 siêu tụ 2.7V – 350F chịu được đến mức: U= Uc1 + Uc2 + Uc3 + Uc4 + Uc5 + Uc6 =16,2(V)

- Do hệ thống điện trên ô tô sử dụng nguồn 14,2V nên chúng tôi thiết kế bộ lưu trữ điện áp như trên gồm 2 khối song song 6 siêu tụ 2.7V-350F mắc nối tiếp tạo ra một khối gồm 12 tụ 16.2V-116,667F. Bộ lưu trữ này đáp ứng tích trữ năng lượng đủ lớn, điện áp tương đương điện áp hệ thống, khả năng nạp đầy và an toàn trong quá trình nạp.

- Công suất cực đại của khối siêu tụ 16.2V-116,677F theo lý thuyết của nhà sản xuất:

Pmax = 𝑈 2 4∗𝐸𝑆𝑅𝐷𝐶∗𝑚𝑎𝑠𝑠 = 16,2 2 4∗ 3,2 1000∗ 60 1000 = 341718,75(J) = 341,718(W)

- Năng lượng cực đại của khối siêu tụ 16.2V-116,677F theo lý thuyết của nhà sản xuất:

Emax= Ctd∗𝑈 2 2∗3600∗𝑚𝑎𝑠𝑠 = 116,667∗16,2 2 2∗3600∗ 3,2 1000 = 1328,91(J)

- Trên thực tế, chúng tôi đã giới hạn điện áp nạp cũng như xả của bộ tích trữ điện khoảng 14,2V để tương đương điện áp hệ thống.

- Như vậy, công suất và năng lượng cực đại của bộ tích trữ được tính như sau:

Pmax = 0.06×𝑈 2 𝐸𝑆𝑅𝐷𝐶 = 0.06×14,2 2 60 1000 = 201,64 (W) Emax= Ctd∗𝑈 2 2∗3600∗𝑚𝑎𝑠𝑠 = 116,667∗14,2 2 2∗3600∗ 3,2 1000 = 1021,3(J)

- Chúng tôi nhận thấy với tổng công suất của hai loại tải điện hoạt động liên tục (350W) và tải điện hoạt động gián đoạn (134W) thì ta thấy rõ công suất tiêu thụ của tải điện hoạt động liên tục là 350W lớn hơn công suất của tải gián đoạn. Công suất của siêu tụ là 201,6W. Công suất của siêu tụ lớn hơn rất nhiều so với công suất của tải điện hoạt động gián đoạn có công suất là 134W nên ta quyết định điện áp thu hồi về được nạp vào siêu tụ và mục đích duy nhất là sử dụng cho các tải điện hoạt động gián đoạn nó đảm bảo được mọi yếu tố hoạt động ổn định ở mức điện áp mà nó cấp phát ra, cũng đảm bảo độ an toàn khi sử dụng.

+ Thông số mô đun siêu tụ:

Bảng 2.14. Thông số mô đun siêu tụ 16,2V – 116F.

Mô đun siêu tụ

Dung lượng 116F

Điện trở nội 9,6 mΩ

Test Current for Capacitance and ESRDC 35A Điện áp hiệu dụng 16,2V

Điện áp tối đa 17,1V

Dòng điện tối đa 170A

Dòng điện rò ở nhiệt độ 25oC 1.8mA Số lượng siêu tụ 12 cái

Khối lượng 0.72kg

Công suất riêng 9492 W/kg

Năng lượng tích trữ 4,1244 Wh

Hình 2.34. Hình ảnh mô đun siêu tụ thực tế

- Năng lượng sẽ thu được khi nạp mô đun siêu tụ từ 11.6V lên 14.5V

𝐸 = 𝐶(𝑈22−𝑈12)

2 = 160(14,5

2−11,62)

2 = 4390J

CHƯƠNG 3: CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC

3.1. Công trình 1.

Bài báo “Nghiên cứu, thi công hệ thống tích lũy năng lượng điện dạng cảm kháng trên hệ thống điện ô tô” của nhóm tác giả Phan Nguyễn Quí Tâm, Đỗ Văn Dũng, Đỗ Quốc Ấm, Nguyễn Bá Hải đăng trên tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ thuật số 32, 2015. Bài báo nghiên cứu và chế tạo thiết bị thu hồi năng lượng điện cảm kháng trên ô tô giúp tận dụng được điện năng cảm kháng tự phát sinh trong quá trình các cuộn dây hoạt động, giúp tiết kiệm nhiên liệu trên xe.

Các thiết bị chế tạo được lắp đặt, thử nghiệm trên hệ thống điện của xe Toyota Camry 2001, Quá trình khảo sát thời gian cần thiết để điện áp trên bộ thu hồi tăng từ 11,2V đến 14,2V nhiều tốc độ quay khác nhau của động cơ.

Hình 3.1. Biến thiên điện áp trên bộ lưu trữ ở tốc độ động cơ n=800 vòng/phút

Hình 3.2. Biến thiên điện áp trên bộ lưu trữ ở tốc độ động cơ n=2400 vòng/phút

Kết quả thử nghiệm cho thấy: khi động cơ hoạt động tại 800 vòng / phút, mất khoảng 04 phút để điện áp trên bộ lưu trữ tăng từ 11.0V đến 12,5V. Khi tốc độ động cơ càng gia tăng, thời gian để đạt giá trị điện áp định mức càng nhỏ.

Khả năng ứng dụng của thiết bị chế tạo

Thiết bị lưu trữ sau khi được nạp đầy ở mức 14.2V, được thử nghiệm cấp điện cho từng loại phụ tải hoạt động từ lúc đầy năng lượng cho đến khi cạn năng lượng, kết quả như bảng sau.

Bảng 3.1. Kết quả thời gian thử nghiệm trên tải điện gián đoạn của thiết bị lưu trữ

STT Tải điện gián đoạn Công suất điện (W) Thời gian sử dụng (phút) 1 Máy khởi động 1200 0.1 2 Nâng hạ kính 150 1.2 3 Xông kính 120 1.4

4 Mồi thuốc 100 2.1 5 Gạt mưa 60 3.4 6 Khóa cửa 60 3.8 7 Còi 60 4.5 8 Đèn sương mù 45 4.8 9 Đèn báo rẽ 44 5.3 10 Đèn phanh 42 9.9 11 Phun nước 40 6.3 12 Radio 35 6.6 13 Đèn lùi 20 7.3 14 Đèn trần 20 8.2

15 Đèn soi biển số 15 8.9

Thời gian sử dụng sẽ dài hơn khi bộ lưu trữ này được lắp song song với accu trên xe, lúc này thiết bị sẽ được thu và tích trữ liên tục trong lúc hệ thống điện hoạt động, điều này giúp tiết kiệm khoảng 1.2 % tiêu hao nhiêu liệu.

3.2. Công trình 2.

Bài báo “Tính toán sức điện động tự cảm trên hệ thống đánh lửa lai” của nhóm tác giả

Đỗ Quốc Ấm, Đỗ Văn Dũng, Phan Nguyễn Quí Tâm, Lê Khánh Tân đăng ở tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ thuật số 32, 2015.

Bài báo đưa ra được mô hình của hệ thống đánh lửa lai hỗn hợp điện dụng - điện cảm, trình bày các tính toán sức điện động tự cảm trên mạch sơ cấp của hệ thống đánh lửa lai hỗn hợp điện dung điện cảm và các kết quả thực nghiệm. Các kết quả tính toán và thực nghiệm giúp xác định dạng dao động và các thông số tác động lên các dao động nêu trên. Các thông số của mạch được xác định bằng đồng hồ LCR, nguồn điện áp sử dụng trong thực nghiệm được ổn định có giá trị DC= 12,54V. Thiết bị đóng ngắt dòng sơ cấp (Igniter) có thể thay đổi được thời gian tích lũy năng lượng và có điện trở là 0,3Ω, các

thông số của hệ thống: V=12,54V; Rbobine =1,6Ω; L1=4,52mH; rrò=1000000Ω; C=0,33µF; R= 1,9Ω.

Cường độ dòng điện qua cuộn sơ cấp

Hình 3.3. Kết quả thực nghiệm cường độ dòng điện qua cuộn sơ cấp của bobine ứng với